本文關(guān)鍵詞：美國麻省理工學(xué)院“電路與電子電路”課程2002年春教學(xué)情況簡介，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第24卷　第5期2002年10月

電氣電子教學(xué)學(xué)報JOURNALOFEEE

Vol.24　No.5Oct.2002

　　文章編號:1008-0686(2002)05-0018-04

美國麻省理工學(xué)院“電路與電子電路”課程

2002年春教學(xué)情況簡介

寧元中,夏健剛

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院,)摘　要:介紹了美國麻省理工學(xué)院(MIT)()課程的教學(xué)內(nèi)容——“電路理論”、“模擬電子電路”和“,??“經(jīng)典電磁學(xué)理論”和數(shù)學(xué)系“常微分方程”??“線性代數(shù)”的電類專業(yè)導(dǎo)向和現(xiàn)代化的教學(xué)手段9小時的教學(xué)錄像等)。MIT在電類基礎(chǔ)課教學(xué)中所采用的這些獨特做法和成功經(jīng)驗,、教材創(chuàng)新和教學(xué)管理都具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞:電路;電子電路;先修課程;教學(xué)錄像

BriefIntroductiontotheCourseArrangement

ofCircuitsandElectronics-Spring2002MIT

NINGYuan-zhong,XIAJian-gang

(CollegeofElectricalInfo.,SichuanUniv.,ChengduSichuan610065,China)

Abstract:Thispaperintroducestheteachingactivitiesofthecourse“CircuitsandElectronics2Spring2002,whichthedomesticeducatorscanuseforreference,includingthefresharrangementofclassicalMIT”

teachingmaterialsofcircuittheoryandelectronics,thephysicalandmathematicalfoundationsthatprereq2uisitesprovided,andsupplementarynine2hourlongvideotutorialsavailableintheMITlibraryandontheweb.

Keywords:circuits;electronics;prerequisites;videotutorials

0　引言

美國麻省理工學(xué)院(MIT)電氣工程和計算機科學(xué)系(EECS)按照培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)劃分了6個較為獨立的學(xué)科研究方向:(1)系統(tǒng)、通信、控制和信號處理;(2)計算機科學(xué);(3)電子學(xué)、計算機及其系統(tǒng);(4)電能及電磁系統(tǒng);(5)材料和器件;(6)生物電磁工程。目前該校有30%的本科學(xué)生在該系就讀,他們中的一些學(xué)生今后可能在這6個學(xué)科研究方向上發(fā)展,或者將在這些領(lǐng)域的交叉學(xué)科內(nèi)進(jìn)一步深造;

而另一些學(xué)生則可能會轉(zhuǎn)入其他領(lǐng)域工作和學(xué)習(xí)。該系為本科學(xué)習(xí)設(shè)置有3門技術(shù)基礎(chǔ)平臺:

(1)61001:計算機程序的結(jié)構(gòu)和解釋(StructureandInterpretationofComputerPrograms);

(2)61002:電路與電子電路(CircuitsandElec2tronics);

(3)61003:信號與系統(tǒng)(signalsandSystems)。在這3門課程中,基本電路理論與電子電路課程的教學(xué),自上世紀(jì)70-80年代起進(jìn)行了比較大的變革以來,目前,雖然在教學(xué)中也普遍使用了

收稿日期:2002年7月30日　　　本文為四川大學(xué)新世紀(jì)高等教育教改工程基金資助項目

作者簡介:寧元中(1946-),男,教授,美國數(shù)學(xué)協(xié)會(AMS)《數(shù)學(xué)文摘(MR)》評論員(Reviewer)。主要研究方向:電網(wǎng)絡(luò)理論、非線性系統(tǒng)理論

及其仿真、信號與系統(tǒng)基礎(chǔ)理論以及電類專業(yè)平臺課程的教學(xué)研究。主要著作:《電力諧波》,《確定信號與線性系統(tǒng)分析基礎(chǔ)》等。

第24卷第5期　　　　　寧元中等:美國麻省理工學(xué)院“電路與電子電路”課程2002年春教學(xué)情況簡介　　　　　　　　19

PSpice等便于操作的模擬工具和MATLAB等數(shù)據(jù)

可視化數(shù)學(xué)軟件,但是就基本電路理論與電子電路課程教學(xué)的內(nèi)容和形式而言,如何使這2門課程適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,以及如何配合專業(yè)的設(shè)置和后續(xù)課程的需求,仍然是受到大家深切關(guān)注的問題。

本文將通過對美國麻省理工學(xué)院(MIT)電氣工程和計算機科學(xué)系(EECS)“電路與電子電路”課程2002年春的教學(xué)安排和先修課程的介紹,以期能對

講課日期

5L1　2??6R1　2??7L2　2??8R2　2??

2??1112L32??3L154　2??

2??1819L5　2??20R5　2??

講課內(nèi)容

KVL和KCL

答疑實驗

閱讀章節(jié)

1,211,213

并聯(lián)、串聯(lián)電阻和分壓器

節(jié)點法節(jié)點法(例)

答疑

、非線性電阻和小信號

法定假日

答疑答疑

數(shù)字電路的基本概念和布爾邏輯

答疑答疑答疑

213,215,218311,313311,313

315,317

44

我國當(dāng)前正在進(jìn)行的“電路”與學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革,1時間安排

　　美國麻省理工學(xué)院(MIT)電氣工程和計算機科學(xué)系(EECS),2002年春“電路與電子電路”課程集中講述了:集中參數(shù)電路的基本理論,電阻元件和電阻網(wǎng)絡(luò),獨立電源和受控源,開關(guān)電路和MOS器件,數(shù)字電路的基本理論,儲能元件,一階、二階動態(tài)網(wǎng)絡(luò),時域、頻域設(shè)計方法,模擬電路和數(shù)字電路及其應(yīng)用等內(nèi)容,幾乎涵蓋了國內(nèi)“電路理論”、“模擬電子電路”和“數(shù)字電子電路”3門傳統(tǒng)課程的主要內(nèi)容。MIT本期該課程使用的教材為該系的自編講義,共17章和3個附錄;共安排有24次大課(Lec2ture),每周2次每次1小時,并與大課交替地安排了23次小課Recitation),也是每周2次每次1小

566

21OS開關(guān)電路和NMOS邏輯電路L6　2??

22OS開關(guān)電路和NMOS邏輯電路R6　2??

2??2526L7　2??27R7　2??28L8　2??1R8　3??

3??45L9　3??6R9　3??7L10　3??8R10　3??

3??1112L11　3??13R11　3??14L12　3??15R12　3??

3??1819L13　3??20R13　3??21L14　3??22R14　3??

PWM　D??A轉(zhuǎn)換器RC網(wǎng)絡(luò)及其階躍響應(yīng)RC網(wǎng)絡(luò)及其階躍響應(yīng)

答疑

受控源和放大器測驗1(1小時)

MOS放大器MOS放大器

77

答疑216

實驗1

偏置和小信號分析偏置和小信號分析小信號電路模型小信號電路模型

實驗1實驗1實驗1實驗1答疑答疑答疑

9,109,1010161016717,8717,888

時;還在2月5日到5月16日共15周的行課期間

內(nèi),每周安排有2～3次(有實驗除外)教輔人員對學(xué)生的單獨(分組)輔導(dǎo)和答疑(tutorial)。該課程全期共布置課外作業(yè)11次,共有基本題目21題和綜合題目35題,其中部分習(xí)題希望學(xué)生能用MATLAB求解和繪圖,每次作業(yè)上交后公布的題解共有A4紙160多頁。該課程還設(shè)有4個實驗:(1)戴維南、諾頓等效和邏輯門電路;(2)MOSFET反向放大器和一階電路;(3)二階網(wǎng)絡(luò);(4)音頻回放系統(tǒng)。實驗室對學(xué)生是開放式服務(wù)的。行課期間排有每次1小時的4次階段測驗,期末考試為3小時。另外,還要求所有注冊學(xué)生在授課時間外在圖書館或在校園網(wǎng)上觀看長達(dá)9小時的教學(xué)錄像作為課堂教學(xué)的補充。“電路與電子電路”課程2002年春教學(xué)日MIT

程見下表(表中L指大課,R指小課):

脈沖,單位沖激響應(yīng)單位沖激響應(yīng)(例)

答疑答疑答疑

測驗2(1小時)

CMOS電路、NMOS邏輯電路中

的能量與功率

CMOS電路(例)

1212

春　　假

4??12L15　4??3R15　4??

LC網(wǎng)絡(luò)及其零輸入響應(yīng)RLC網(wǎng)絡(luò)及其零輸入響應(yīng)

實驗2實驗2

1311

實驗21312,1314

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　電氣電子教學(xué)學(xué)報　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　24卷20

答疑實驗

講課日期講課內(nèi)容閱讀章節(jié)

4LC網(wǎng)絡(luò)及其單位階躍??沖激響應(yīng)實驗21315,13112L16　4??

5RLC網(wǎng)絡(luò)及其單位階躍??沖激響應(yīng)實驗21315,13112R16　4??

4??89L17　4??10R17　4??11L18　4??12R18　4??

4??516L19　4??17R19　4??18L20　4??19R20　4??

4??2223L19　4??24R19　4??25L20　4??26R20　4??

4??2930L19　4??1R19　5??2L20　5??3R20　5??

5??67L21　5??8R21　5??9L22　5??10R22　5??

5??1314L23　5??15R23　5??16L24　5??

AM無線電應(yīng)用(例)MOS差動放大器

答疑

正弦穩(wěn)態(tài)與頻率響應(yīng)正弦穩(wěn)態(tài)與頻率響應(yīng)

阻抗與導(dǎo)納阻抗與導(dǎo)納法定假日3()

RLCQ值

定不允許用其它的先修課程替代。這種對先修課程

規(guī)定強制性要求的原因很明確,因為沒有這些扎實的物理知識和數(shù)學(xué)知識的儲備,學(xué)生就不可能將主要精力集中在電路理論和電子電路的分析與綜合的學(xué)習(xí)上,而且“常微分方程”??“線性代數(shù)”課程已為學(xué)生使用MATLAB奠定了基礎(chǔ)。

“電MIT的物理系為電類專業(yè)開設(shè)的物理課程

磁學(xué)”??,而是要求學(xué),來認(rèn)識客觀世界和理。在該課程的內(nèi)容中涉及到從減反膜太陽鏡、電話、電機、無線電、有線電視、心電圖、起搏器、金屬探測器、電子樂器、磁懸浮、子彈頭列車,到射電望遠(yuǎn)鏡、干涉儀、粒子加速器、超導(dǎo)、閃電、極光、彩虹、日暈月暈、夕陽、藍(lán)天、多普勒效應(yīng)、超新星、雙星、中子星和黑洞等許多現(xiàn)代科技知識。

數(shù)學(xué)系為電類專業(yè)開設(shè)的“常微分方程”課程則要求學(xué)生掌握10項基本技能:(1)建立簡單系統(tǒng)的一階微分方程模型;(2)使用MATLAB計算一階微分方程的數(shù)值解并將數(shù)據(jù)可視化;(3)用積分因子法(變動任意常數(shù)法)求解一階線性微分方程;(4)復(fù)數(shù)的直角坐標(biāo)形式與指數(shù)形式間的互換;(5)對輸入為指數(shù)函數(shù)與多項式乘積的具有非零初始值的二階常系數(shù)微分方程求解,當(dāng)輸入為指數(shù)函數(shù)(或正弦函數(shù))時計算輸出的幅度和相位;(6)計算傅立葉系數(shù)(三角式和指數(shù)式),用傅立葉級數(shù)計算常系數(shù)線性微分方程的周期解;(7)掌握各類時域信號的拉氏變換描述,使用部分分式法計算系統(tǒng)的初始值問題,計算系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)和單位沖激響應(yīng);(8)計算特征值、特征向量和矩陣函數(shù),并用來解決一階、二階微分方程描寫的線性系統(tǒng)的初始值問題;(9)繪制二階自治系統(tǒng)的相圖;(10)確定非線性二階自治系統(tǒng)的定性性質(zhì)。

數(shù)學(xué)系為電類專業(yè)開設(shè)的“線性代數(shù)”課程的內(nèi)容雖是傳統(tǒng)的,其所強調(diào)的是線性代數(shù)的基本理論,但是要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)會如何利用MAT2LAB去實現(xiàn)各種矩陣運算,并且了解這些矩陣運算在電類專業(yè)中的各種應(yīng)用。

答疑答疑

14,B,C14,B,C14,B,C14,B,C

1515

時域響應(yīng)←→頻率響應(yīng)

實驗3

運放,放大器由運放構(gòu)成放大器加法,減法,積分和微分器由運放構(gòu)成濾波器

實驗3實驗3實驗3實驗3

1611-41611-41615-7,1615-7,答疑答疑答疑

特殊運放電路正反饋與振蕩器測驗4(1小時)

實驗4

二極管二極管與RC網(wǎng)絡(luò)二極管與LC網(wǎng)絡(luò)二極管與運放電路

實驗4實驗4實驗4實驗4答疑答疑答疑

171714

電力電子學(xué)(簡介)

特邀講座期末考試(3小時)

2　電路與電子電路的先修課程

“電路MIT電氣工程和計算機科學(xué)系規(guī)定修讀與電子電路”課程的注冊學(xué)生,必須完成的先修課為由物理系開設(shè)的“電磁學(xué)”??“經(jīng)典電磁學(xué)理論”和由

數(shù)學(xué)系開設(shè)的“常微分方程”??“線性代數(shù)”,而且還規(guī)

3　電路與電子電路的補充教學(xué)錄像

“電路與電子電路”課程,MIT在2002年春的

還要求注冊學(xué)生在規(guī)定的授課時間之外,必須自行

第24卷第5期　　　　　寧元中等:美國麻省理工學(xué)院“電路與電子電路”課程2002年春教學(xué)情況簡介　　　　　　　　21

在圖書館或校園網(wǎng)上觀看由PaulGray教授講授的長達(dá)9小時的教學(xué)錄像片,作為課堂教學(xué)的補充(教學(xué)錄像的片斷見圖1)。該教學(xué)錄像片內(nèi)容的10個部分為:(1)節(jié)點分析法,(2)復(fù)數(shù)運算,(3)圖解法分析三極管放大器,(4)小信號分析,(5)正弦穩(wěn)態(tài)分析,(6)諧振,(7)運算放大器,(8)伯德圖,(9)動態(tài)線性電路,(10)電流源模型(補遺)。在教學(xué)錄像中“板PaulGray教授保留了最傳統(tǒng)的講課方式中的書”,只不過用筆和水平放置的零號圖紙?zhí)娲藗鹘y(tǒng)

的板書工具——

粉筆和黑板。讓學(xué)生在觀看Paul

Gray教授的教學(xué)錄像片時,隨著PaulGray教授的講解、繪圖和書寫很自然地產(chǎn)生一種正在接受Paul

這種用課程的教學(xué)錄像Gray教授單獨輔導(dǎo)的感覺。

片作為課堂教學(xué)補充的手段,既充分利用了多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)教學(xué)工具,又遵循了課堂教學(xué)自身的規(guī)律,從而使得MIT課程,、實驗和作業(yè)偏。

圖1　2002年春MIT“電路與電子電路”教學(xué)錄像(片斷)

4　結(jié)論

“電路與電子電路”在授課的時間的安排上和

MIT的許多本科課程一樣,都采用上課時間短(每次1小時,而國內(nèi)一般每次用2～3個45(或50)分鐘但密度大(每周大、小課各2次),同時還穿插有實驗講座、單獨輔導(dǎo)和答疑等師生直接交流的環(huán)節(jié),再加上課外教學(xué)錄像,這樣就精心地為學(xué)生營造了一種必須投入所有的時間和精力來學(xué)習(xí)的氣氛。從“電路與電子電路”行課的實踐還表明,先修課MIT

程的教與學(xué)的質(zhì)量是“電路與電子電路”教學(xué)成功的基本保證。該系明確規(guī)定主修電氣工程和計算機科學(xué)的學(xué)生在學(xué)習(xí)“電路與電子電路”前,一定要具備“電磁學(xué)理論”、“常微分方程”和“線性代數(shù)”方面的基礎(chǔ)知識。該校還要求學(xué)生必須先修由物理系和數(shù)學(xué)系專門為主修電氣工程類專業(yè)的學(xué)生開設(shè)的“電

磁學(xué)”??“經(jīng)典電磁學(xué)理論”和“常微分方程”??“線性代

數(shù)”課程,而且規(guī)定不允許用其它先修課程代替。要求先修的物理課程和數(shù)學(xué)課程,除了內(nèi)容要以電類專業(yè)導(dǎo)向外,還特別強調(diào)要利用MATLAB去實現(xiàn)各種算法和了解它們在電類課程中的應(yīng)用,當(dāng)然這就要求任課教師不僅要講授抽象的邏輯思維,要闡明這些基本原理的物理意義和幾何意義,而且要盡可能地引導(dǎo)學(xué)生對一些接近實際應(yīng)用的題目進(jìn)行數(shù)值運算或計算機模擬,也就是說要盡力做到基本原理可視化和基本運算可操作化。這也是提高教學(xué)質(zhì)量和提高學(xué)生素質(zhì)的關(guān)鍵所在。參考文獻(xiàn):

[1]　Information,Outline,LabsandHomework.Circuitsand

Electronics2Spring2002,EECE,MIT.Feb.,2002

[2]　Videotutorials.CircuitsandElectronics2Spring2002,EECE,

MIT.Feb.,2002

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本文編號：123718